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當（dāng）今製造業生產經濟學的現（xiàn）實

2019-3-12 來（lái）源：山高刀具集團技術培訓作者：Patrick de Vos

機（jī）床車間希望能夠將零（líng）件生產控製在一定時間和成本內。實現這一目標需要平衡很多因素，包括切削參數、刀具成（chéng）本和更（gèng）換時間、機床利用率、工件裝卸費用以及材料和人工成本。

生產經（jīng）濟學是兼顧各種工藝因素以獲得理想結果的藝（yì）術和科學（xué）。在兩個多世紀的加工曆史（shǐ）中，生產經濟學的要（yào）數量成倍增加。首先，製造業從工藝級單項產品的（de）生產，發展到使用機床大規模生產標（biāo）準化零件。製造方法的改進帶來了第二（èr）代批量生產，其中包括生產（chǎn）線的運用（yòng）以及相同零件的產量日益提（tí）高，這就（jiù）是（shì）“大批量（liàng）低混合”(HVLM) 產品方案。然（rán）後，數控機床和（hé）機器人造就（jiù）了（le）第三代（dài）批量生產效率。最近，應用於編程、機床控（kòng）製（zhì）和工件裝卸係統的數字技術（shù）正在促進第四代製造生產（chǎn）（稱為“工業4.0”）的（de）發展（zhǎn），它能實現經（jīng）濟高效的“高混合小批量”(HMLV) 生產。

製造工藝演變

為了有效地實現從 HVLM 向 HMLV 生（shēng）產的轉變，製造商必須清楚認識到生產經濟學正在不斷地變化（huà）和增長，然後利（lì）用可用的信息（xī）和技術來分析運（yùn）營狀況並實現運營目標。一個關鍵轉型（xíng）因素是拋棄過於（yú）簡單的理念和做法，確認哪些隱性成本（běn）可能會阻礙生（shēng）產率的提高。

大批量、低混合，簡單經濟學？

標準化加工工藝起（qǐ）源於 19 世紀，用於加快生（shēng）產具（jù）有可互換零件的相同產品。汽車（chē）製（zhì）造業將這種（zhǒng） HVLM方法改進（jìn）到了極致，發展出傳送生（shēng）產線（xiàn）和其他工藝方法，多年來製造了數十萬甚至數百萬相（xiàng）同的零部件。

HVLM 生產周期長，這使得（dé）製造商能夠微調多個工藝因素，以實現最大產量、保（bǎo）持質量（liàng）一致以及降低成本。包括換刀係統（tǒng）、托盤交換係統及機（jī）器人在內（nèi）的輔（fǔ）助技術進一步降低（dī）了生產（chǎn）變動性。可以說操作過程完美運行，能以可預（yù）測的成本實現 100% 產量，而且能消除計劃外閑（xián）置時（shí）間，杜絕次品（pǐn）和返（fǎn）工（gōng），也無需去毛刺（cì）等二次操作。

有個（gè）說法是刀具成（chéng）本通常約占總生產成（chéng）本的 3%。3% 可以（yǐ）作為一個基準，但往往實際情況下並不能直接以此衡量。例如（rú），工件材料（liào）的加工（gōng）特性影響很大，加工材質從鋼（gāng）材切換到鈦材可能會使刀具使用率增（zēng）加五倍。在其（qí）他條件相同的情況下，3% 將變（biàn）為 15%。

僅關注刀具齧合時間會導致（zhì）其他因素被忽略，例如因換刀而產生的閑置時間（jiān）。這種方法實際上掩蓋（gài）了現實。製造商應該了解加工時間、裝夾時間、換刀時間、裝載和卸載（zǎi）以及其他因素會相互影響和幹擾。在關於工藝因素（sù）之間意外作用的（de）簡化示例中，車間加工一個零件需要 2 分鍾的切削時間和 2分鍾的工件裝卸時間。刀（dāo）具轉位花掉 1 分鍾，刀具在使用壽命內可加工 5個工件，因此每個零件所需的刀具（jù）轉位時間（jiān）為 0.20 分鍾。由於（yú）每（měi）個零件需要 4.2分鍾的加工時間，所以每小時產量略高於 14 個工件。每個刀具的成本為 15 歐元，5個工件所需的刀具壽命決定了生（shēng）產 14 個工件需要 2.8 個刀（dāo）具（42 歐元（yuán））。機床成本為每小時 50歐元。這樣，每小時生產 14 個工件的總成本為 92 歐元。

然後，為了提升產量和生產率，車間將切削速度提高 10%。這樣可將切削時間縮短 10%（達到1.8分（fèn）鍾），但也使刀具壽命（mìng）縮短大約一半，這意味（wèi）著在需要轉（zhuǎn）位之前，一個（gè）切削刃隻能生產 2.5個工件。刀具轉位（wèi）時間仍為一分鍾，工件裝（zhuāng）卸兩分鍾。一個工件的生產時（shí）間為 4.2 分鍾（切削 1.8分鍾，工件操控 2 分鍾，刀具轉位 0.4 分鍾），換算一下也就（jiù）是每小時生產 14個工件。機床和（hé）刀具的成本（běn）是（shì）相同的，但現在每小（xiǎo）時需要耗費 5.6 個（gè）刀（dāo）具（84歐元刀具成本）。盡管努力提高（gāo）產量，但 14 個工件的生產時間是相同的，而（ér）成本則（zé）從 92 歐元上升到了 134歐元。

在這種情（qíng）況下，提高切削速度不會使操作更加高效。更改切削時間會影響加工係統中的其他因素，在本例中影響的是刀具壽命和（hé）刀具轉位時間。因（yīn）此，車間必須仔細權衡流程（chéng）變更的各種後果。

隱（yǐn）性成本的另一（yī）種形式涉及工藝步驟的執行情況。例如，在許（xǔ）多加工（gōng）車間中，最典型的隱性成本就是刀片轉位所花費的時間。指定的刀片轉位時間可（kě）能是一（yī）分鍾。然而（ér）在車間實際測量時發現，它可能是兩分鍾、三分鍾甚至十分鍾，時間相（xiàng）差 60 到（dào） 600 秒。

刀具成本隨（suí）閑置時間（jiān）的變化

高混合、小批量，全麵的考慮

如（rú）今，全球競爭促使製造商（shāng）生產不同類型的產品，以滿足較（jiào）小用戶群的（de）需求。先進的計算技術可以快速更改（gǎi）零（líng）件的設計和加工程序，還可以輕鬆跟蹤產品的變化（huà）和庫存。結果是製造商轉而采用“高混合、小批量”(HMLV)生產方案。如今，這種方法已經發展到足以高效地製造個位數產（chǎn）品，甚至（zhì）是大量生產單項產品。

HVLM 的更長生產周期允許製造商從容地規劃和微調工藝因素。在 HMLV生產方案（àn）中，生產計劃是不同的。計算機化的工程和庫存技術支持快速變換產品類型和產量，但 HMLV 規劃（huá）過程變得複（fù）雜且反應靈敏。客戶訂購十個零件後，可能會接著訂購（gòu）兩個、五個零件甚至是單一產品多（duō）個批次的不同零件。工件材（cái）料可能從鋼材換成鋁材再換（huàn）成鈦材（cái），零件幾何形狀（zhuàng）可能從簡單變得複雜。但是沒有足夠的試運行（háng）時間來確定刀具壽命。

為了管（guǎn）理 HMLV 生產方案中的刀具壽命，車間通常會對刀具的預期壽（shòu）命做（zuò）出保守猜測；為了安全起見，每次加工都會使（shǐ）用新刀具，並在刀具達到（dào）其完整的生產壽命之前將其丟棄。切削時間隻是整個加工中的因素之一。在 HMLV 生產（chǎn）中，操控不同工件和夾具以及更換刀具和（hé）轉位刀片所需的時間通常（cháng）比（bǐ）實際切削時間更長。刀具、機床、閑置時間、直接的人工和工（gōng）件（jiàn）材料因素中可能包含隱性成本。最新的生產經（jīng）濟學方（fāng）法（fǎ）考慮了刀具和工件材料成本、設備和生產成本、停（tíng）機期間的設備成本以及人員工資和（hé）維護成本。

生產經濟學

快速變化的 HMLV 產品需求增加了（le）實現高百分（fèn）比合格率的難度。在（zài）生產周（zhōu）期較長的 HVLM

生產中，經過試驗和調整可以獲得高達 90% 的合格率。另一方麵，HMLV合格率可能（néng）是（shì）二元的。成功的單件生（shēng）產代表 100% 的（de）合格率，但是當零件不合格或工件毀壞時，合格率變為零。由（yóu）於對質量、成本和時間效率的要求保持不變，一次合格（gé）率成為首要（yào）要求。在這種情況下，避免刀具破損（sǔn）可能是最重要的（de）考慮因素。一個有利方（fāng）麵是（shì）刀具磨損（sǔn）在短期加工中影（yǐng）響極（jí）小，並且車間可以在合理（lǐ）範圍內應用更（gèng）強勁、更（gèng）高產的切（qiē）削參（cān）數。

一個相關變量是確（què）定何時轉位刀具最合適。如果等待時間過長，即使沒有損壞工（gōng）件，也可能（néng）導致刀具破裂，至（zhì）少會中斷生產。另一方麵，過於頻繁的換刀會增加刀具成本，並會因（yīn）停止加工和轉位刀具而耗費更多時間。確定何（hé）時更換刀具需要審視換刀時機與整（zhěng）個加工係統的關係，以便製定換刀協議並遵循相關規則。

結論（lùn）

金屬（shǔ）切削係統中的加（jiā）工因素之（zhī）間不是一對一的關係。改變切削工況、工件材料或產品（pǐn）產量將影響刀具壽命以及加工係統（tǒng）的許多其他方麵（miàn）。在製造工廠，生產經濟學麵臨的挑戰是要了解這些關係，並製（zhì）定相應策略以務實的方式平衡這些因素。然而，並非車間中的每位（wèi）工人都能成為數學教授，而且他們（men）沒有時間深入了解這些加工背後的關聯。因此，供應商可以提供工藝分析和管理服務，幫助製造商全麵了（le）解其特定運（yùn）營情況，並就如何最大限度地提高生產（chǎn）率和經濟實力提供有力指導。

令（lìng）人惋（wǎn）惜的是，許多車間所有（yǒu）者擁有大量的業務和付費客戶，但（dàn）企業仍（réng）然麵臨虧損。解決（jué）之道是認清當前（qián）生產經濟學揭（jiē）示的許多影響因素，發現（xiàn）和消除被忽視和隱藏的（de）成本，以使他們（men）的製造業務能夠獲得最（zuì）大回（huí）報（bào）。

附注

Duratomic 切屑

自動（dòng）化分析

從批量生產初期開始（shǐ），影響製造生產率和成本的因素數量已經成倍增加。隨著加工操作和設備變得越來越複雜，製造係統的各種要素之間的關係也變得日益複雜。這些（xiē）要素都不是孤立存在的，例如，改變產量要求將會影響刀具、設備、維護、人工和（hé）其他成本。

確定影響（xiǎng）因素的數量及（jí）其相互關（guān）係本身就是（shì）一項重大挑戰。由（yóu）於（yú）這種複（fù）雜性，我們（men）必須借助係統性方法來衡量、控製和管理製造過程。

山高的“生產率成本分（fèn）析”(PCA) 係統可以檢（jiǎn）查整個製造過程，以確定降低成本和提高（gāo）生產率的方法。該係統依托山高長達數十年的全球製造（zào）經驗和（hé）技術底蘊。山高將這些知識與先進的計算機分析和算法結合在一起，包括采用蒙特（tè）卡羅模擬（nǐ）方法實現（xiàn）成本建模的自動化。

山高技術專家能為客（kè）戶執行 PCA，評估其製造過程中所使用的刀具和技術，從而（ér）生成包含工（gōng）藝信息（比如刀具和切削參數）和成本（běn）信息（包括每件成本、每（měi）小時（shí）產出和投資成本）的（de）綜合報告。PCA可以評（píng）估從單個機床操作到整個（gè）製造流程。

做這項分析的目的在於提高生產率，這對（duì）成本的影響最大。該係統考慮了瓶頸問題及操（cāo）作限製，可（kě）以（yǐ）識別（bié）哪些方麵需要進行更深入（rù）的研究。

通過對操作或設施進行時間和成本方麵的（de）基準研究，PCA 軟件將在初始階段（duàn）檢查刀具因素，包括工藝參數、循環時間（jiān）和產量要求（qiú）。第二階段會進行類（lèi）似的刀具檢查，但會對切削工況和刀具進行調整。第三階段可能（néng）考慮工藝、運營因素（sù）以及其他方麵的改進，比如機床升級。

無論製造商服務於什麽行業，使用山高 PCA 係統後通常（cháng）可以節約 30% 的總成本、生產率提高約 40% 。

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